光鑷技術(shù)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-03-23
光鑷技術(shù)的實例教程
原理解釋：
對于小顆粒，由光散射產(chǎn)生的力，即動量反沖力占主導(dǎo)地位。對于緊密聚焦的渦旋光束，散射力的主要分量在于光束傳播的方向，而梯度力再次將粒子約束到最大光束強度的環(huán)上。然而，由于渦旋光束強度分布是圓柱對稱的，因此粒子不受方位角的約束，而可能被捕獲在最強光環(huán)的任意位置。較大顆粒會與光束內(nèi)在自旋和外在軌道角動量相互作用使顆粒圍繞著光軸旋轉(zhuǎn)的同時自轉(zhuǎn)。由于顆粒較大，其受到的梯度力相對較小，因而不會被束縛在光環(huán)上，而是慢慢旋轉(zhuǎn)到光束中心的暗核附近。
捕獲過程
早在1986年，人們就發(fā)明了利用光捕獲粒子的光鑷技術(shù)。所謂光鑷，是用高度會聚的激光束形成的三維勢阱來俘獲、操縱和控制微小顆粒的一項技術(shù)。與機械鑷子相比，光鑷以非機械接觸的方式來完成夾持和操縱物體，它可以對目標(biāo)細胞進行非接觸式的捕獲和固定，以及對細胞進行精確操作，且可通過選用適當(dāng)波長的激光，使光鑷對物質(zhì)的熱學(xué)或化學(xué)等效應(yīng)非常弱，從而對細胞產(chǎn)生的損傷非常小。因此在生命科學(xué)研究中，幾乎所有的單細胞操作都采用光鑷進行操控。不過常規(guī)光鑷使用的是高斯光束（等相位面近似于平面）。高斯光束的光強在光束中心最強，向邊緣指數(shù)衰減。其捕獲原理與渦旋光束不同，如下圖所示：
高斯光束利用梯度力捕獲粒子
高斯光束依靠的是作用在任意透明粒子上的偶極力導(dǎo)致的朝向光束焦點的力。如果光束聚焦緊密，合成的梯度力足以克服散射力和重力的影響，那么就可以為直徑達幾微米的透明粒子創(chuàng)建三維陷阱，使粒子束縛在光強最強的中心區(qū)域。
高斯光束越強，其捕獲粒子的能力就越大，但是對于很多微小的粒子，尤其是生物顆粒，高強度的激光有可能對粒子造成不可逆的損傷。
展開 關(guān)鍵詞：MATLAB，F(xiàn)DTD，圓艾里光束，光束設(shè)計，光學(xué)力
圓艾里光束是一種具有獨特物理特性的矢量光束，具備非衍射、自加速及相位自愈等顯著優(yōu)勢，在微納顆粒操控、生物醫(yī)學(xué)檢測、光鑷技術(shù)及微納器件制備領(lǐng)域應(yīng)用潛力突出。本設(shè)計運用 MATLAB對光場設(shè)計，F(xiàn)DTD光場建模獲得光場平面，并添加微納顆粒，在不同傳播平面測量顆粒光學(xué)力分布以及光勢阱。此項設(shè)計通過MATLAB算法與FDTD 電磁仿真結(jié)合，形成從光束設(shè)計到光學(xué)力特性分析的完整技術(shù)鏈，在光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)研究及工程應(yīng)用具有中應(yīng)用潛力。
一、MATLAB光東設(shè)計
首先對光束進行光學(xué)設(shè)計，形成橢圓型艾里光相位，并將數(shù)據(jù)存儲，用于后續(xù)fdtd軟件調(diào)用。
二、FDTD建模
1.形成合適的圓艾里光束后，運行腳本“1 圓艾里光場參數(shù)設(shè)計”，進行光場參數(shù)的后續(xù)設(shè)計，如偏振態(tài)、顆粒尺寸等。
2.接著運行腳本“2 圓艾里光場”，以建立仿真環(huán)境。會隨第一步的參數(shù)進行深入設(shè)置。運行后會直接開始仿真。
3.形成的結(jié)構(gòu)會記錄三維光場信息，便于后續(xù)光學(xué)力仿真。
4.接著運行“3 顆粒光學(xué)力仿真”，這會在第一步設(shè)置好的參數(shù)基礎(chǔ)上，在特定高度，特定范圍放置顆粒，并利用獨特優(yōu)化過的腳本處理方式，進行快速光學(xué)力計算。
5.運行“4 光學(xué)力處理與繪圖”，計算特定平面的場強、相位以及光學(xué)力、勢阱分布
6.最后，計算添加顆粒后的場強分布，運行腳本“5 添加顆粒后場強分布”
三、總結(jié)
本設(shè)計基于MATLAB、FDTD腳本完成了對矢量圓艾里光束設(shè)計、仿真、光學(xué)力計算的全流程編碼、建模，得到的光場雨預(yù)期符合，光學(xué)力分析與光場情況抑制，實現(xiàn)了較為完善的模擬研究。
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光鑷技術(shù)的最新內(nèi)容
因此，所提出的渦旋陣列激光光束以二維陣列的形式應(yīng)用于光鑷和原子阱中，具有很大的前景。
關(guān)鍵詞：MATLAB，F(xiàn)DTD，圓艾里光束，光束設(shè)計，光學(xué)力
圓艾里光束是一種具有獨特物理特性的矢量光束，具備非衍射、自加速及相位自愈等顯著優(yōu)勢，在微納顆粒操控、生物醫(yī)學(xué)檢測、光鑷技術(shù)及微納器件制備領(lǐng)域應(yīng)用潛力突出。本設(shè)計運用 MATLAB對光場設(shè)計，F(xiàn)DTD光場建模獲得光場平面，并添加微納顆粒，在不同傳播平面測量顆粒光學(xué)力分布以及光勢阱。
因此，所提出的渦旋陣列激光束在二維陣列形式的光鑷和原子阱中具有巨大的應(yīng)用前景。
摘要
了解高NA物鏡焦距附近的矢量電場分布對如顯微、光鑷、激光加工等應(yīng)用具有重要意義。 Debye-Wolf積分提供了焦平面附近矢量場的半解析解，并得到了廣泛的應(yīng)用。我們演示了如何在VirtualLab Fusion中使用Debye-Wolf積分計算器來研究不同參數(shù)下的聚焦場特性。
2. 建模任務(wù)
3.
摘要
了解高NA物鏡的焦點附近的矢量電場分布對顯微鏡、光鑷、激光加工等應(yīng)用是非常重要的。高NA物鏡通常被認為是消球差透鏡。 通過VirtualLab Fusion中消球差透鏡，我們展示了如線性、圓形和徑向偏振光束等各種偏振光束的聚焦。 我們研究了關(guān)于不同形狀的孔徑的聚焦場，例如圓形和環(huán)形孔徑。
雙軸晶體的圓錐折射9個月前
摘要
當(dāng)圓偏振光沿著雙軸晶體的一個光軸傳播時，透射光場演化為圓錐體，這種現(xiàn)象稱為圓錐折射。已經(jīng)基于這種效應(yīng)開發(fā)了多種應(yīng)用，例如貝塞爾光束的生成和光鑷。這個用例借助VirtualLabFusion中的快速物理光學(xué)模擬技術(shù)，演示了KGd晶體的錐形折射。
雙軸晶體的圓錐折射9個月前
摘要
當(dāng)圓偏振光沿著雙軸晶體的一個光軸傳播時，透射光場演化為圓錐體，這種現(xiàn)象稱為圓錐折射。已經(jīng)基于這種效應(yīng)開發(fā)了多種應(yīng)用，例如貝塞爾光束的生成和光鑷。這個用例借助VirtualLabFusion中的快速物理光學(xué)模擬技術(shù)，演示了KGd晶體的錐形折射。
摘要
當(dāng)圓偏振光沿著雙軸晶體的一個光軸傳播時，透射光場形成一個錐體，這種現(xiàn)象被稱為錐形折射?；谶@種效應(yīng)已經(jīng)發(fā)展了一些應(yīng)用，如產(chǎn)生貝塞爾光束和光鑷。利用VirtualLab Fusion中的快速物理光學(xué)仿真技術(shù)，演示了KGd晶體中的錐形折射。
建模任務(wù)
參數(shù)來自C. F. Phelan et al., Opt.
因此，所提出的渦旋陣列激光束在二維陣列形式的光鑷和原子阱中具有巨大的應(yīng)用前景。
例如，在光鑷和粒子俘獲領(lǐng)域中，使用Ince-Gaussian模式，因為它們的光束輪廓即使在通過焦點傳播時也能保持。借助新推出的 Ince-Gaussian模式光源和非均勻介質(zhì)組件，可以在 VirtualLab Fusion 中模擬此類應(yīng)用。
